Yeni akıllı plastikler, belirli bir programa göre parçalanacak şekilde programlanabiliyor

Yeni akıllı plastikler, belirli bir programa göre parçalanacak şekilde programlanabiliyor

Bir dağ yolunu kaplayan plastik çöpler, kimyasal bir atılımın başlangıcı gibi görünmeyebilir, ancak Yuwei Gu için öyleydi. New York'taki Bear Mountain Eyalet Parkı'nda yürüyüş yaparken, Rutgers'lı kimyager, yol boyunca dağılmış ve bir gölde yüzen plastik şişeler gördü. Bu kadar sessiz bir yerde, atıklar çok gürültülü geliyordu.

Doğa, DNA ve RNA'dan proteinlere ve selüloza kadar her canlıyı polimerlerle doldurur. Bu doğal zincirler görevlerini yerine getirir ve sonra parçalanır. Farklı kimyasal yapıda üretilen sentetik plastikler ise on yıllarca bozulmadan kalır. Bu karşıtlık, Gu'nun aklına ormanın ortasında geldi.

Rutgers Sanat ve Bilim Okulu Kimya ve Kimyasal Biyoloji Bölümü'nde yardımcı doçent olan Gu, "Biyoloji, proteinler, DNA, RNA ve selüloz gibi her yerde polimerler kullanıyor, ancak doğa, sentetik plastiklerde gördüğümüz türden uzun vadeli birikim sorunlarıyla asla karşılaşmıyor" dedi. Ağaçların arasında dururken aklına basit bir fikir geldi: "Fark kimyada olmalı."

Doğanın Kaybolan Polimerlerinden Öğrenmek

Gu, doğal polimerlerin yapılarında genellikle küçük "yardımcı" gruplar taşıdığını biliyordu. Bu yerleşik özellikler, belirli kimyasal bağların doğru anda kırılmasını kolaylaştırır. Bir protein veya DNA zinciri amacına hizmet ettikten sonra, bu bağlar kontrollü bir şekilde parçalanmasına yardımcı olur.

Bu, duyduğunuzda açıkça görünen bir soruyu gündeme getirdi. Gu, "Şöyle düşündüm: Ya bu yapısal hileyi kopyalasak?" dedi. "İnsan yapımı plastiklerin de aynı şekilde davranmasını sağlayabilir miyiz?"

Çalışmalarında Gu ve meslektaşları, cevabın evet olduğunu gösterdi. Doğanın stratejisini ödünç alarak, ek ısı veya sert kimyasallar olmadan, günlük koşullar altında parçalanabilen plastikler yarattılar. Malzeme ihtiyaç duyduğunuz sürece güçlü kalır, ardından işi bittiğinde parçalanabilir.

Gu, "Modern plastiklerin en büyük zorluklarından birini ele almak istedik" dedi. "Amacımız, plastiklerin özel işlemler gerektirmeden günlük koşullar altında doğal olarak bozunmasını sağlayacak yeni bir kimyasal strateji bulmaktı."

Çalışmanın kalbinde polimerin temel fikri yatıyor. Polimer, bir ip üzerindeki boncuklar gibi tekrarlayan birimlerden oluşan uzun bir zincirdir. Plastikler, DNA, RNA ve proteinlerin hepsi polimerlerdir. Boncuklar, bir birimi diğerine bağlayan "yapıştırıcı" olan kimyasal bağlarla bir arada tutulur. Bu bağlar plastikleri sert yapar, ancak aynı zamanda onları inatçı da yapar. Programlanabilir Parçalanma Nasıl Çalışıyor?

Gu'nun ekibi ince bir değişikliğe odaklandı. Zincirde hangi bağların oluştuğunu değiştirmek yerine, yakındaki maddelerin konumunu değiştirdiler. Yapıdaki küçük komşu gruplar, zamanı geldiğinde bağı zayıflatmak için doğru noktalara yerleştirildi.

Bu fikri, bir kağıt parçasını katlayıp kıvrım boyunca yırtmaya benzetiyorlar. Önceden katlarsanız, yırtık çok az çabayla çizgiyi takip eder. Plastik de aynı şekilde çalışıyor. Araştırmacılar, yapıyı "önceden katlayarak" gizli bir kırılma hattı oluşturdular. Tetiklendiğinde, bu hat zincirlerin normalden binlerce kat daha hızlı kırılmasına olanak tanıyor.

Bu yerleşik zayıflığa rağmen, plastik günlük kullanımda gücünü koruyor. Temel kimyasal yapı değişmiyor. Sadece tetikleyici ortaya çıktığında parçalanmaya istekli hale geliyor.

Gu, "En önemlisi, bu komşu grupların tam uzamsal düzenlemesinin polimerin bozunma hızını önemli ölçüde değiştirdiğini bulduk" dedi. "Yönelimlerini ve konumlarını kontrol ederek, aynı plastiği günler, aylar ve hatta yıllar içinde parçalanacak şekilde tasarlayabiliriz."

Bu kontrol seviyesi, malzemeyi "programlanabilir" hale getiriyor. Kimyacılar, çekirdek plastiği değiştirmeden ömrünü yukarı veya aşağı ayarlayabilirler. Ekip ayrıca, parçalanmanın kendi kendine çalışacak şekilde ayarlanabileceğini veya ultraviyole ışık veya metal iyonlarıyla açılıp kapatılabileceğini gösterdi. Bu ek anahtarlar, saatin ne zaman başlayacağına karar vermek için başka bir yol sunuyor.

Malzemeleri Gerçek Dünya Ömürlerine Uygun Hale Getirmek

Günlük hayatta, her plastik nesnenin aynı süre dayanması gerekmez. Bir paket servis kabının sadece restorandan eve kısa bir yolculuk boyunca dayanması gerekir. Bir araba parçasının yıllarca sağlam kalması gerekir. Gu'nun yaklaşımıyla, her ikisi de benzer kimyasal yapıdan yapılabilir ve ardından çok farklı ömür süreleri için ayarlanabilir.

Ayrıca, kimyasal bileşimlerinin normal plastiklerle ve mevcut ekipmanlarla nasıl uyumlu çalışabileceğini de inceliyorlar. Bu teknoloji laboratuvarın ötesine geçip günlük hayata entegre olmasını istiyorsanız, bu adım çok önemli. Ambalaj veya parça olarak elinize ulaşabilmesi için, yeni plastiklerin mevcut üretim hatlarına veya bunların benzerlerine uyum sağlaması gerekiyor.

Aynı zamanda, ekip yöntemlerinin tıp alanında nasıl kullanılabileceğini de test ediyor. Örneğin, belirli bir zamanda parçalanan kapsüller, ilaçları daha hassas bir şekilde verebilir. Bu tür bir kontrol, özellikle düzenli zamanlama gerektiren ilaçlar için tedaviyi iyileştirebilir ve yan etkileri azaltabilir.

Hala çözülmesi gereken teknik sorunlar var. Kimyasal bileşimin büyük ölçekli üretim için yeterince basit kalması gerekiyor. Maliyetlerin makul seviyede kalması gerekiyor. Ancak Gu, sürdürülebilir plastiklerde uzun vadeli değer gören şirketlerin yardımıyla ilerlemenin mümkün olduğunu düşünüyor.

Orman Yürüyüşünden Laboratuvar Tezgahına

Gu için, ormanda geçirdiği sessiz bir anın tüm bunları başlattığı hala gerçeküstü geliyor. Bir göl kenarında atılmış birkaç şişe, birçok insanın kendi yöntemleriyle sorduğu bir soruyu gündeme getirdi. Onun durumunda, cevap yeni bir malzeme sınıfına dönüştü.

"Aynı amaca ulaşmak için doğanın yapısını kopyalamak basit bir fikirdi," dedi. "Ama bunun başarılı olduğunu görmek inanılmazdı."

Tek başına çalışmadı. Çalışma, Gu'nun laboratuvarında doktora öğrencisi ve makalenin ilk yazarı olan Shaozhen Yin; aynı bölümde doçent olan Lu Wang; Wang'ın laboratuvarında doktora öğrencisi olan Rui Zhang; Biyomalzeme Araştırma Laboratuvarı'nda araştırma görevlisi profesör olan N. Sanjeeva Murthy; ve eski ziyaretçi lisans öğrencisi Ruihao Zhou da dahil olmak üzere birçok Rutgers araştırmacısını bir araya getirdi.

Çalışmaları, bir dağ yolunu küresel bir zorluğa bağlıyor. Plastik kirliliğine yönelik bazı cevapların tamamen yeni bir şey icat etmekten değil, doğanın sessizce yaptığı şeyleri daha yakından dinlemekten gelebileceğini öne sürüyor.

Bu strateji gerçek dünya ürünlerine ulaşırsa, plastiklerin günlük hayata nasıl uyum sağladığını dönüştürebilir. Çöp sahalarında, okyanuslarda ve parklarda kalmak yerine, birçok ürün kimyasal bileşimlerine yazılmış son kullanma tarihleriyle üretilebilir. Gıda ambalajı gibi tek kullanımlık ürünler, normal koşullar altında kısa bir süre sonra parçalanabilir. Elektronik muhafazaları veya araba parçaları gibi daha uzun ömürlü ürünler yıllarca sağlam kalabilir, ardından geri dönüşüm sırasında parçalanmaya yönlendirilebilir.

Programlanabilir parçalanma, daha verimli geri dönüşümü de destekler. İstenen zamanda parçalanacak şekilde tasarlanmış malzemeler, işlenmesi için daha az enerji ve daha az sert kimyasal gerektirebilir. Bu, geri dönüşümün maliyetini ve çevresel etkisini azaltarak endüstrinin daha döngüsel bir modele doğru ilerlemesine yardımcı olacaktır.

Atıkların ötesinde, aynı kimya tıp ve teknoloji alanlarında "akıllı" malzemeleri de destekleyebilir. Belirli bir gecikmeden sonra açılan ilaç kapsülleri, tedavilerin vücutta nasıl ilerlediğini iyileştirebilir. Kendiliğinden kaybolan kaplamalar, nakliye sırasında yüzeyleri koruyabilir ve artık ihtiyaç duyulmadığında ortadan kaybolabilir. Her durumda, malzemenin ömrü sabit bir sorun olmaktan çıkıp bir tasarım seçeneği haline gelir.

Araştırmacılar güvenliği ve mevcut üretim yöntemleriyle uyumluluğu doğruladıkça, bu çalışma sorumlu bir plastik olarak kabul edilen şey için yeni standartlara yol gösterebilir. Uzun vadede, amacına hizmet eden ve ardından nesiller boyu çevrenizde kalmak yerine sessizce ortadan kaybolan malzemelere giden bir yol sunmaktadır.

Kaynak: The Bright Side of the News